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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für eine Kraftstoffhochdruckeinspritzung, insbesondere
für die
Common-Rail-Technik mit Drücken
bis zu 400 MPa oder eine Benzin-Direkteinspritzung mit Drücken von über 20 MPa.
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Bei
Ventilen für
die Benzin-Direkteinspritzung bzw. bei Diesel-Injektoren stellen
die hohen Drücke
ein großes
Problem dar. Insbesondere bei nach innen öffnenden Ventilen wird die
Ventilnadel aufgrund des hohen Kraftstoffdrucks stark in den Ventilsitz
gedrückt.
Dies führt
zu einer großen Öffnungskraft
für die
Ventilnadel, welche mit den geforderten kurzen Schaltzeiten nicht
mehr direkt mittels Magnetaktoren bereitgestellt werden kann. Um
derartige Ventile steuern zu können,
wurden Systeme vorgeschlagen, bei denen die Ventilnadel indirekt über eine
Druckvariation in einem Steuerraum betätigt wird. Dies erfordert jedoch
aufgrund der inneren Leckage und der Steuermenge eine Kraftstoffrückleitung
zum Tank auf niedrigem Druckniveau. Von daher sind die bekannten
Systeme relativ aufwendig und teuer. Ferner ist eine der Anforderungen
für Ventile
bei der Kraftstoffeinspritzung, dass sie in einer möglichst
kurzen Zeit einen möglichst
großen
Strömungsquerschnitt
freigeben können
bzw. wieder schließen
können.
Ferner erfordern moderne Brennverfahren die Fähigkeit zur Mehrfacheinspritzung, wobei
insbesondere kurze Pausenzeiten zwischen zwei Einspritzvorgängen sowie
kurze minimale Öffnungszeiten
(jeweils kleiner als 100 μs)
zur Einspritzung von Kleinstmengen notwendig sind. Derartige Anforderungen
können
durch piezoelektrisch betätigte
Ventile befüllt
werden, nicht jedoch durch elektromagnetische Ventile.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Ventilanordnung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass sie elektromagnetisch betätigbare Aktoren aufweist, welche
sehr kostengünstig
und relativ einfach aufgebaut sind. Hierdurch kann erfindungsgemäß eine hohe
Dynamik der Ventilanordnung erreicht werden, so dass eine kurze Pausenzeit
unter 100 μs
zwischen zwei Einspritzvorgängen
möglich
ist und auch kurze minimale Öffnungszeiten
unter 100 μs
zur Einspritzung von Kraftstoff möglich sind. Ferner kann erfindungsgemäß ein aktives Öffnen und
Schließen
des Hauptventils erreicht werden, ohne dass eine Federkraft für den Bewegungsvorgang
notwendig ist. Hierdurch wird die hohe Dynamik der Ventilanordnung
sichergestellt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine
Ventilanordnung mit einem ersten und zweiten elektromagnetischen
Aktor für
ein Vorventil und ein Hauptventil vorgesehen sind. Dabei ist der
zweite elektromagnetische Aktor des Hauptventils als Tauchspulenaktor
ausgebildet. Somit kann auf kostengünstige Weise ein aktives Öffnen und
Schließen mit
der notwendigen hohen Dynamik erreicht werden. Ferner kann z. B.
auch eine Prellneigung des Hauptventils durch eine entsprechende
Bestromung des Tauchspulenaktors, welche zu einer Verzögerung vor
einem Anschlag führt,
reduziert werden. Dies erhöht
ferner eine Zumessgenauigkeit bei der Einspritzung.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders
bevorzugt umfasst der Tauchspulenaktor wenigstens einen Permanentmagneten
und eine Spule, wobei die Spule mechanisch mit dem Schließelement
verbunden ist. Durch Bestromung der Spule bewegt sich das mit der
Spule verbundene Schließelement
des Hauptventils. Durch die Bestromung der Spule wirkt eine dem
Strom proportionale Lorentzkraft auf die Spule und das verbundene Schließelement.
Abhängig
von der Stromrichtung wird somit eine Bewegung des Schließelements
(Öffnen
oder Schließen)
erreicht.
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Besonders
bevorzugt umfasst der Tauchspulenaktor drei Permanentmagnete und
zwei Spulen. Die beiden Spulen sind dabei mit dem Schließelement
verbunden und wirken mit den drei Permanentmagneten derart zusammen,
dass bei einer Bestromung der Spulen das Schließelement, abhängig von einer
Stromrichtung, geöffnet
bzw. geschlossen wird.
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Für einen
einfachen und sicheren Aufbau sind vorzugsweise die beiden Spulen
in Reihe geschaltet.
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Besonders
bevorzugt sind die drei Permanentmagnete dabei als Stapel mit zwei äußeren und einem
mittleren Permanentmagneten angeordnet. Dabei sind die äußeren Permanentmagnete
derart zum mittleren Permanentmagneten ausgerichtet, dass sich gleiche
Pole gegenüberliegen.
Hierdurch kann bei Verwendung von zwei Spulen eine besonders hohe
Genauigkeit und Kraft bei der Bewegung des Schließelements
erreicht werden.
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Weiter
bevorzugt ist das Schließelement
ein im Wesentlichen zylindrischer Hohlkörper mit einem inneren Verbindungsbereich,
wobei am inneren Verbindungsbereich der Vorventilsitz des Vorventils
angeordnet ist. Der innere Verbindungsbereich trennt einen Druckraum
von einem Druckausgleichsraum. Hierdurch ist ein besonders kompakter
Aufbau möglich.
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Für eine besonders
kostengünstige
Herstellung ist das Innenelement ein separates Einlegeteil.
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Besonders
bevorzugt sind die im Gehäuse ausgebildeten
Spritzlöcher
in einem Winkel zu einer Mittelachse der Ventilanordnung angeordnet.
Der Winkel beträgt
vorzugsweise 20° zur
Mittelachse und ist nach außen
gerichtet. Dadurch kann insbesondere eine kegelförmige Einspritzung wie bei
einem nach außen öffnenden
Ventil verwirklicht werden, ohne dass die erfindungsgemäße Ventilanordnung
die Nachteile von nach außen öffnenden
Ventilen aufweist. Im Brennraum ist so eine sehr effiziente Durchmischung
von Kraftstoff und Luft möglich.
Es sind jedoch auch andere Winkelanordnungen möglich. Insbesondere können die
einzelnen Spritzlöcher
unterschiedliche Winkel zur Mittelachse aufweisen und so ein asymmetrisches
Kraftstoffspray ermöglichen.
Für einen
besonders kompakten Aufbau sind ferner vorzugsweise das Vorventil
und das Hauptventil koaxial auf einer Mittelachse der Ventilanordnung
angeordnet.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Ventilanordnung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung im geschlossenen Zustand,
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2 eine
schematische Schnittansicht der Ventilanordnung von 1 mit
geöffnetem
Vorventil und geschlossenem Hauptventil,
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3 eine
schematische Schnittansicht der Ventilanordnung der 1 und 2 mit
geöffnetem Vorventil
und geöffnetem
Hauptventil,
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4 eine
schematische Schnittansicht der Ventilanordnung der 1 bis 3 mit
geschlossenem Hauptventil,
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5 eine
schematische, vergrößerte Teilschnittansicht
eines Tauchspulenaktors der Ventilanordnung,
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6 eine
schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung von Spulen des
Tauchspulenaktors, und
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7 eine
schematische Darstellung der Magnetflusslinien des Tauchspulenaktors
bei Anliegen einer Spannung an den Spulen des Tauchspulenaktors.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 eine
Ventilanordnung 1 eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Ventilanordnung 1 ein
im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 20 mit einer Zuleitungsbohrung 2 zur
Zuleitung von Kraftstoff sowie einem nach innen vorstehenden, zylindrischen
Innenelement 21. Im Gehäuse 20 sind
ferner mehrere Spritzlöcher 11 ausgebildet. Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist das Innenelement 21 dabei
am Gehäuse 20 in
einem Bereich angebracht, welcher in der Mitte der Spritzlöcher 11 liegt.
Das Innenelement 21 ist einstückig mit dem Gehäuse hergestellt
oder liegt als separates Element an einem Boden des Gehäuses 20 auf.
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Die
erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 umfasst
ferner ein Vorventil 3 und ein Hauptventil 4. Das
Vorventil 3 umfasst eine Ventilnadel 5, eine Vorventilfeder 6,
einen Elektromagneten 23 und einen Anker 24. Der
Anker 24 ist an der Vorventilnadel 5 befestigt.
Das Vorventil 3 schließt
bzw. gibt mittels eines Schließelements 8 einen
Vorventilsitz 9 frei, welcher an einem Schließelement 7 des
Hauptventils 4 vorgesehen ist. Die Vorventilfeder 6 stützt sich
dabei an einem Mitnehmer 15 ab, welcher fest mit der Vorventilnadel 5 verbunden
ist.
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Das
Hauptventil 4 umfasst das Hauptventil-Schließelement 7 sowie
einen Tauchspulenaktor 30. Das Schließelement 7 weist eine
im Wesentlichen zylindrische Grundform auf und ist in Axialrichtung
X-X der Ventilanordnung bewegbar. Das Schließelement 7 weist dabei
einen inneren Verbindungsbereich 7a auf, in welchem eine
Durchlassbohrung 26 ausgebildet ist. Diese Durchlassbohrung 26 wird mittels
des Vorventils 3 freigegeben bzw. verschlossen.
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Wie
insbesondere aus 1 ersichtlich ist, ist dabei
zwischen dem inneren Verbindungsbereich 7a und dem Innenelement 21 ein
Druckausgleichsraum 13 gebildet. Hierbei ist ein Dichtspalt 14 zwischen
dem Schließelement 7 und
dem Innenelement 21 angeordnet. Der Dichtspalt 14 ist
dabei derart gewählt,
dass nur eine minimale Leckage vom Druckausgleichsraum 13 zu
den Spritzlöchern 11 vorhanden
ist.
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Der
Tauchspulenaktor 30 ist im Detail in 5 gezeigt.
Der Tauchspulenaktor 30 umfasst eine erste Spule 16,
eine zweite Spule 17 sowie drei Permanentmagnete 31, 32, 33.
Die drei Permanentmagnete 31, 32, 33 sind
dabei in Form eines Stapels angeordnet, wobei zwischen den äußeren und
den mittleren Permanentmagneten ein erster weichmagnetischer Pol 34 und
ein zweiter weichmagnetischer Pol 35 vorgesehen ist. Ferner
umfasst der Tauchspulenaktor 30 ein rohrförmiges,
ebenfalls aus einem weichmagnetischen Material hergestelltes Joch 36. Die
Permanentmagnete sind dabei derart angeordnet, dass gleichartige
Pole immer zum ersten und zweiten weichmagnetischen Pol 34, 35 angeordnet sind.
In 5 sind dabei die Nordpole der Permanentmagnete
mit ”N” und die
Südpole
der Permanentmagnete mit ”S” bezeichnet.
Die Fixierung der Permanentmagnete 31, 32, 33 sowie
des Jochs 36 erfolgt dabei mittels eines magnetisch neutralen Montagekörpers 37.
Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, sind
die beiden Spulen 16, 17 fest mit dem Schließelement 7 verbunden.
Die Vorventilnadel 5 ist dabei durch einen hohlzylindrischen
Bereich des Montagekörpers 37 hindurchgeführt.
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Das
Schließelement 7 des
Hauptventils 4 gibt die Spritzlöcher 11 dabei an einem
Bodenbereich des Gehäuses 20 frei
bzw. verschließt
diese. Ferner ist im Schließelement 7 eine
Verbindungsöffnung 12 vorgesehen,
um unter Druck stehenden Kraftstoff in einen Druckraum 18 zuzuführen. Wie
aus 1 ersichtlich ist, steht dabei der Druckraum 18 über die Verbindungsöffnung 12 mit
einem Innenraum 19 des Schließelements 7 in Verbindung,
wobei das Vorventil 3 teilweise am Innenraum 19 angeordnet
ist. Weiter ist der Innenraum 19 über den hohlzylindrischen Bereich
des Montagekörpers 37 mit
einem Vorraum 22 verbunden, in welchen die Zuleitungsbohrung 2 mündet. Im
Vorraum 22 ist ebenfalls der Anker 24 angeordnet.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist für das Hauptventil 4 kein
Rückstellelement
in Form einer Feder vorgesehen. Die Vorventilfeder 6, welche
zur Rückstellung
des Vorventils 3 dient, ist, wie aus 1 ersichtlich
ist, zwischen dem Mitnehmer 15 und dem Tauchspulenaktor 30 angeordnet.
Die Vorventilfeder 6 ist dabei derart ausgelegt, dass sie
im in 1 gezeigten Ruhezustand der Ventilanordnung das
Vorventil 3 verschließt.
Hierbei wird das Schließelement 8 des
Vorventils 3 auf den Vorventilsitz 9 gepresst.
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6 zeigt
schematisch die Anordnung der ersten Spule 16 und der zweiten
Spule 17. Wie aus 6 ersichtlich
ist, sind die beiden Spulen 16, 17 in Reihe geschaltet,
wobei, wie aus 5 ersichtlich ist, die Spulen
derart angeordnet sind, dass ihre Stromdurchflussrichtung unterschiedlich
ist. Bei Anlegen einer Spannung U fließt somit ein Strom I zuerst durch
die erste Spule und dann durch die zweite Spule 17.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen Ventilanordnung 1 ist
dabei wie folgt. Im in 1 gezeigten geschlossenen Zustand
steht unter Druck stehender Kraftstoff im Druckraum 18,
im Innenraum 19 und im Vorraum 22 an. Das Vorventil 3 und
das Hauptventil 4 sind im geschlossenen Zustand. Im Druckausgleichsraum 13,
welcher über
den Dichtspalt 14 mit den Spritzlöchern 11 verbunden
ist, herrscht ein Druck, welcher kleiner als der Druck im Druckraum 18 ist.
Wenn eine Einspritzung begonnen werden soll, wird zuerst der erste
elektromagnetische Aktor 23 bestromt. Dadurch wird der
Anker 24, wie in 2 durch
den Pfeil A angedeutet, zum ersten elektromagnetischen Aktor 23 angezogen.
Hierbei muss die Federkraft der Vorventilfeder 6 überwunden
werden. Dadurch öffnet
das Vorventil 3, so dass unter Druck stehender Kraftstoff
in den Druckausgleichsraum 13 strömen kann, wie durch die Pfeile
B angedeutet. Das Hauptventil 4 bleibt weiterhin geschlossen.
Allerdings hat ein Druckausgleich am Schließelement 7 stattgefunden,
da ein Druck im Druckausgleichsraum 13 nun gleich wie im
Innenraum 19 ist. Hierdurch werden zum Öffnen des Hauptventils 4 nur noch
sehr geringe Kräfte
benötigt.
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Wenn
nun die Einspritzung von Kraftstoff begonnen werden soll, wird der
Tauchspulenaktor 30 aktiviert. Hierzu werden die erste
Spule 16 und die zweite Spule 17 bestromt. Hierdurch
wirkt die dem Strom proportionale Lorentzkraft auf die Spulen 16, 17 und
somit auch auf das die Spulen tragende Schließelement 7. Die Richtung
der Lorentzkraft ist dabei von der Stromrichtung abhängig. Bei
positiver Stromrichtung wird das Schließelement 17 aus seinem
Hauptventilsitz 10 nach oben bewegt, wie in 3 durch
den Pfeil C angedeutet. Somit wird der Strömungsquerschnitt an den Spritzlöchern 11 freigegeben,
so dass eine Einspritzung von Kraftstoff ausgeführt werden kann. Dabei ergibt
sich ein kegelförmiges
Spray 27.
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7 zeigt
schematisch die Magnetfeldverteilung bei einer Bestromung der Spulen 16, 17.
Da die beiden äußeren Permanentmagnete 31, 33 eine Magnetisierungsrichtung
aufweisen, welche einer Magnetisierungsrichtung des mittleren Permanentmagneten 32 entgegengesetzt
ist, kann eine Fokussierung des magnetischen Flusses auf die Spulen 16, 17 erreicht
werden. Hierdurch resultiert eine hohe Flussdichte in den Spulen,
so dass sich mit dieser Anordnung große Lorentzkräfte erzielen
lassen.
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Zum
Schließen
des Hauptventils 14 wird die Stromrichtung in den Spulen 16, 17 umgekehrt,
worauf sich das Schließelement 7 wieder
nach unten bewegt, wie in 4 durch
den Pfeil D angedeutet. Wenn die Einspritzung beendet werden soll,
wird auch die Aktivierung des ersten elektromagnetischen Aktors 23 beendet,
so dass die Vorventilfeder 6 das Vorventil 3 ebenfalls
wieder verschließen
kann (Pfeil F). Es sei angemerkt, dass, falls eine Mehrfacheinspritzung
ausgeführt
werden soll, das Vorventil 3 auch geöffnet bleiben kann und die
Stromrichtung für die
Spulen 16, 17 nochmals umgekehrt werden kann. Dann
wird das Schließelement 7 wieder
geöffnet
und eine zweite Einspritzung kann erfolgen. Hierdurch können mehrere
Einspritzvorgänge
hintereinander ausgeführt
werden, wobei die einzelnen Zeitzyklen für die Einspritzung unter 100 μs liegen
kann. Ebenfalls können
die Pausen zwischen Einspritzvorgängen unter 100 μs liegen.
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Da
mittels des Vorventils 3 ein Druckausgleich stattgefunden
hat, ist zur Bewegung des Schließelements 7 nur eine
geringe Kraft erforderlich. Dies ermöglicht die hohe Dynamik der
erfindungsgemäßen Ventilanordnung
und somit sehr variable Einspritzverläufe. Insbesondere können Mehrfacheinspritzungen
während
eines Zyklus ausgeführt werden.
Aufgrund des relativ großen
Sitzdurchmessers des Hauptventils 4 wird bei angehobenem Schließelement 7 ein
großer
Strömungsquerschnitt freigegeben,
so dass hohe Durchflussraten bei geringer interner Drosselwirkung
erreicht werden können. Bei
Ausführung
einer Mehrfacheinspritzung bleibt dabei eine Leckage über die
Spaltdichtung 14 zwischen den einzelnen Einspritzungen
aufgrund der sehr kurzen Pausenzeiten (kleiner 100 μs) vernachlässigbar klein.
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Somit
kann mittels des Tauchspulenaktors 30 ein aktives Öffnen und
Schließen
des Hauptventils 4 erfolgen. Hierbei kann auf eine Rückstellfeder
für das
Hauptventil 4 verzichtet werden. Die Einspritzung kann
mittels des Tauchspulenaktors 30 sehr genau erfolgen und
insbesondere können
auch kleinste Einspritzmengen und kürzeste Einspritzpausen reproduzierbar
realisiert werden. Ferner sei angemerkt, dass eine Prellneigung
während
eines Schließvorgangs
des Hauptventils 4 reduziert werden kann, indem durch eine
entsprechende Bestromung des Tauchspulenaktors eine Verzögerung kurz
vor einem Anschlag erreicht wird. Hierdurch kann weiter auch die
Zumessgenauigkeit erhöht
werden. Durch die Reduzierung der Prellneigung ergibt sich ferner
ein gedämpfterer
Anschlag durch ein gezieltes Abbremsen, so dass eine Geräuscherzeugung
ebenfalls reduziert ist. Weiterhin sei angemerkt, dass die Verwendung
des Tauchspulenaktors 30 im Gegensatz zu einem herkömmlichen
Magnetaktor keine Wirbelstromeffekte auslöst. Im Vergleich mit Piezoaktoren sind
die erfindungsgemäßen Aktoren
dabei sehr kostengünstig
und einfach aufgebaut. Insbesondere kann das Vorventil 3 sehr
kostengünstig
ausgestaltet werden, da das Vorventil 3 nur geringe Dynamikanforderungen
erfüllen
muss.